CN108526752B - 一种涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝，包括金属外皮和药芯，药芯的组分及质量百分比为：金红石35‑55％，氧化铁10‑20％，氧化铝5‑12％，碳酸钙5‑10％，氟化物3‑8％，钛粉2‑5％，镍粉4‑8％，钼粉1‑2％，铁粉15‑25％。本发明所公开的药芯焊丝可以用于涉水环境下的焊接，焊接时易起弧，电弧燃烧稳定，具有极佳的焊接工艺性能，所得焊缝成形美观，焊后熔敷金属抗拉强度大于540MPa，对接接头4倍板厚冷弯角度180°时无裂纹出现，具有良好的冲击韧性，满足中低碳钢及低合金高强钢在涉水环境下的焊接。

Description

一种涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝。
背景技术
自动化焊接由于具有生产效率高、焊接质量好、劳动强度低等优点，在工程机械和石油化工等行业得到广泛应用。随着我国自动化焊接水平的提高，一些特殊环境下的自动化焊接需求也越来越多，比如焊件表面潮湿、带水，或在下雨环境下的焊接，将其统称为涉水环境下的焊接。在这种环境下焊接时，通常需要对工件进行烘干，待到工件表面没有水分的情况下再进行施焊，但其复杂的焊前处理，大大降低了涉水环境下的焊接效率。此外，还有较多特殊环境下不能对工件进行焊前烘干处理，比如船体、船闸吃水线附近应急维修焊接，海上平台水平面附近钢结构焊接等。在这些情况下焊接困难很大，且焊接质量难以保证，存在服役安全隐患。
自动化焊接所用焊接材料为焊丝，包括实芯焊丝和药芯焊丝，其中药芯焊丝兼具气体保护实芯焊丝、埋弧焊丝的高效率、自动化和品种多、适应面广、焊接工艺性能好等多方面的优点，应用广泛。但是目前市售的陆上焊接用药芯焊丝和研制较多的水下湿法焊接用药芯焊丝均不适用于涉水环境下的直接焊接。主要原因为：(1)当采用陆上药芯焊丝进行涉水环境下焊接时，工件表面的水受热分解，导致溶解到焊缝熔池中的氢浓度高，焊接接头中极易生成氢气孔和氢致冷裂纹，影响接头性能；(2)水下自动化焊接时为了对焊接区域的电弧形成保护，同时保证电弧在水压的作用下稳定燃烧，水下湿法焊接用药芯焊丝中加入了较多的造气元素和稳弧元素。当采用水下湿法焊接用药芯焊丝进行涉水环境下焊接时，烟尘及气体产生较多，焊缝中易产生大量的气孔，影响接头性能。因此，研制涉水环境下焊接专用自保护药芯焊丝，可以在不烘干和不外加保护气体的情况下直接带水焊接，这对降低涉水环境下的焊接施工难度，提高涉水环境下的焊接效率和焊接质量具有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝，以达到燃弧稳定、焊接工艺性良好、工作效率高，适用于涉水环境下焊接使用的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝，包括金属外皮和药芯，金属外皮由低碳钢钢带卷成，药芯的组分及质量百分比为：金红石35-55％，氧化铁10-20％，氧化铝5-12％，碳酸钙5-10％，氟化物3-8％，钛粉2-5％，镍粉4-8％，钼粉1-2％，铁粉15-25％。
上述方案中，所述金属外皮由低碳钢钢带卷成。
上述方案中，氟化物为CaF2、LiF、和NaF三者的组合，质量百分比为CaF2 50-70％，LiF 15-30％，NaF 15-30％。
上述方案中，药芯的填充率为22-32％。
通过上述技术方案，本发明提供的涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝考虑到涉水环境下的焊接特点，为了保证涉水环境下获得性能优良的焊接接头，本发明对内部药芯配方进行设计，通过在药芯中加入稳弧剂来保证涉水环境下焊接时电弧的稳定燃烧；通过加入造气成分，焊接时产生气体对电弧、熔滴及熔池金属起到保护作用；通过加入除氢剂，降低焊缝中的扩散氢含量，防止氢致裂纹生成；加入合金元素，改善焊缝组织，提高焊缝金属的力学性能。
上述药粉的化学成分中，各组分的作用机制如下：
金红石，它主要起到造渣作用，另外也具有一定的稳弧作用，保证焊接工艺性能。当金红石含量过低时，熔渣的流动性较差，因此，熔渣成型不好，易黏渣。但当其含量过高时，会导致焊缝机械性能下降。因此，本发明中金红石加入的质量百分比为35-55％。
氧化铁，主要起到造渣作用，降低熔渣的粘度和表面张力，增加电弧能量，使熔池的熔宽和熔深加大。另外，它还是表面活性物质，改善焊接工艺性能。氧化铁在焊接过程中还会分解，生成自由态氧，与熔池中的氢发生反应，可以有效减少氢含量，还可以与焊缝金属中的有害元素发生反应，减少熔敷金属中的夹杂物含量和尺寸，促进焊缝中针状铁素体的生成，提高焊缝金属的冲击韧性。当氧化铁含量过低时，电弧能量不足，熔池浅且窄，易黏渣，焊接工艺性差。但当氧化铁加入过多时，电弧能量过大，飞溅增多，导致成型较差，不易脱渣。因此，本发明中氧化铁加入的质量百分比为10-20％。
氧化铝，可调节熔渣的物理性能，改善熔渣的脱渣性。当氧化铝含量大于4时，可获得良好的焊丝焊接工艺性能和熔敷金属力学性能。但氧化铝含量过高，会导致熔渣的熔点显著升高，药芯熔化滞后，不能起到保护熔滴的作用，另外，凝固时还易造成焊缝金属夹渣缺陷。因此，本发明中氧化铝加入的质量百分比为5-12％。
碳酸钙，主要起造气作用，保护焊接电弧及熔池。当碳酸钙含量较低时，药皮的造渣和造气能力不足，对焊缝的保护作用不够，导致力学性能下降；但当碳酸钙加入量太大时，造气过多，焊接时易产生较大的飞溅，且电弧稳定性变差。因此，本发明中碳酸钙加入的质量百分比为5-10％。
氟化物,以CaF2为主，再加入LiF和NaF,三者的质量百分比为CaF2 50-70％，LiF15-30％， NaF15-30％。氟化物主要起到造渣和造气作用。涉水环境下焊接时，工件表面的水受热分解，导致溶解到焊缝熔池中的氢浓度很高，焊缝中极易产生氢气孔和氢致冷裂纹。氟化物是一种除氢效果极佳的脱氢材料。CaF2还起到造渣、稀渣作用，调整熔渣的粘度。LiF和NaF分解还会产生Li和Na为碱金属有稳弧作用，能提高涉水环境下的电弧稳定性。当氟化物加入量过低时，造气、造渣不足，焊缝中易产生气孔及焊缝表面熔渣覆盖不全等问题。当氟化物加入量过多时，熔渣粘度变低，焊接时熔渣流淌严重，不能起到很好的保护作用。所以本发明中氟化物加入的质量百分比为3-8％。
钛粉，主要起到降低焊缝扩散氢含量，改善焊缝组织，提高接头韧性的作用。钛是强碳化物形成元素，形成的碳化钛具有很强的捕氢能力。此外，钛还易与熔池中的氮、氧反应生成细小的氧化钛，氮化钛颗粒，这些颗粒在作为氢陷阱捕获氢的同时，还可作为异质形核质点促进针状铁素体形核，改善焊缝组织，细化晶粒，起到改善接头韧性的作用。本发明中钛加入的质量百分比为2-5％。
镍粉和钼粉，可以促进焊缝金属合金化，改善焊缝组织及性能。但是钼元素在提高强度的同时对低温韧性、抗裂性有一定的不良影响。所以本发明中镍粉和钼粉加入的质量百分比分别是4-8％和1-2％。
铁粉，主要起调节成分，保证电弧稳定性和提高熔敷效率的作用。本发明中铁粉加入的质量百分比为15-25％。
药芯焊丝采用常规药芯焊丝制备技术制得。
本发明提出的一种涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝的特点及优势在于：涉水环境下焊接时起弧容易，电弧燃烧稳定，无熄弧断弧现象，具有极佳的焊接工艺性能，所得焊缝成形美观，焊后熔敷金属抗拉强度大于540MPa，对接接头4倍板厚冷弯角度180°时无裂纹出现，具有良好的冲击韧性，满足中低碳钢及低合金高强钢在涉水环境下的焊接。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一：药粉的组成及重量百分比为：金红石37％，氧化铁18％，氧化铝6％，碳酸钙8％，氟化物4％，钛粉2％，镍粉6％，钼粉1％，铁粉18％。
实施例二：药粉的组成及重量百分比为：金红石44％，氧化铁12％，氧化铝8％，碳酸钙6％，氟化物6％，钛粉3％，镍粉4％，钼粉1.5％，铁粉15.5％。
实施例三：药粉的组成及重量百分比为：金红石48％，氧化铁10％，氧化铝5％，碳酸钙7％，氟化物5％，钛粉4％，镍粉8％，钼粉2％，铁粉11％。
按上述比例调整药芯粉的组成含量，配制药芯粉，制备3种不同成分含量的药芯焊丝，药芯粉的粒度为80目，将配制好的药芯粉放入混粉机中混合5-6小时取出备用。
药芯焊丝的金属外皮选用低碳钢钢带，钢带规格为0.3mm×9mm，按照普通的药芯焊丝制备工艺进行生产，将上述混合均匀的药芯粉添加到金属外皮中，制备出截面为“O”型的药芯焊丝，焊丝直径为
Figure BDA0001653056610000041
药芯的填充率为22-32％。
实施例所用的母材为E40钢板，板厚为14mm，焊接试验在涉水环境下进行。
实施例的效果：采用上述实施例药芯焊丝在涉水环境下焊接时，起弧容易，电弧燃烧稳定，无熄弧断弧现象，具有极佳的焊接工艺性能，所得焊缝成形美观，焊后熔敷金属抗拉强度大于540MPa，对接接头4倍板厚冷弯角度180°时无裂纹出现，具有良好的冲击韧性，满足中低碳钢及低合金高强钢在涉水环境下的焊接。本发明实施例焊后熔敷金属力学性能见表 1。
表1本发明实施例焊后熔敷金属力学性能
Figure BDA0001653056610000042
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝，包括金属外皮和药芯，其特征在于：药芯的组分及质量百分比为：金红石35-55％，氧化铁10-20％，氧化铝5-12％，碳酸钙5-10％，氟化物3-8％，钛粉2-5％，镍粉4-8％，钼粉1-2％，铁粉15-25％，氟化物为CaF2、LiF、和NaF三者的组合，质量百分比为CaF2 50-70％，LiF 15-30％，NaF 15-30％。
2.根据权利要求1所述的一种涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝，其特征在于：所述金属外皮由低碳钢钢带卷成。
3.根据权利要求1所述的一种涉水环境下焊接用自保护药芯焊丝，其特征在于：药芯的填充率为22-32％。
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